高效彗星式纖維濾料廠家抗菌、防污、高效的太陽能蒸發器：可實現海水和廢水中的水凈化

　　高效彗星式纖維濾料廠家抗菌、防污、高效的太陽能蒸發器：可實現海水和廢水中的水凈化

　　高效彗星式纖維濾料生產廠家抗菌、防污、高效的太陽能蒸發器：可實現海水和廢水中的水凈化。太陽能驅動的界面蒸汽發電(SISG)已被公認為以環保和低成本的方式解決水資源短缺的有前途的策略。

　　在過去的幾十年里，科學家們一直致力于設計理想的蒸發器，包括用于高效光熱轉換的太陽能吸收器，以及用于隔熱和輸水的浮動結構，以增加蒸發率。

　　與2D蒸發器相比，3D類似物由于減少了光反射和從環境中獲得的能量而表現出出色的蒸發性能。

　　然而，以往的研究大多在蒸發試驗時將模擬太陽的輻照設置為垂直于蒸發器表面，而對模擬傾斜輻照的研究相對較少。蒸發器的表面積和側面區域由于其傾斜照射功能可以吸收自然陽光下的太陽能，從而可以放大有效加熱面積和蒸發率。

　　因此，側面積輔助蒸發可以提供一種可行且簡單的方案來設計先進的蒸發器以實現超高蒸發率。

　　此外，在蒸發過程中，蒸發器周圍形成的溫暖環境會促進微生物的生長，嚴重影響蒸發器的使用壽命，尤其是廢水處理。

　　因此，利用功能性吸收劑同時實現高效蒸發和抗生物污染是一項主要要求。在常規方法中，Ag、ZnO納米粒子和Mxene在蒸發器中額外摻入抑菌劑，使蒸發器具有抗生物絮凝作用，防止微生物增殖造成通道堵塞。

　　然而，這些策略在制備過程中需要繁瑣的勞動，并且由于相容性不足而影響蒸發輸出。顯然，探索具有光熱轉換和抗生物污損能力的單一材料將是一項有吸引力但極具挑戰性的任務。

　　聚集誘導發射(AIE)活性分子作為一種新出現的光敏劑，可以通過合理的設計同時提供高性能的光熱轉換和活性氧(ROS)生產，可能是構建具有高效蒸發和抗生物污垢功能的3D蒸發器的理想候選者。

　　鑒于此，深圳大學Li Ying、王東、唐本忠院士等報道了一種包含AIE發光原(AIEgens)的全纖維多孔圓柱狀泡沫(AFPCF)，該泡沫具有優異的光熱轉換和ROS生成能力，可同時實現高效的太陽能蒸汽生成和抗生物污垢效應。

　　這項工作首次將側面輔助蒸發和抗生物污垢活性集成到蒸發器中。所呈現的蒸發器具有互連的多孔結構，具有出色的親水性，可用于蒸汽逸出和供水，側面輔助蒸發系統可增加有效蒸發面積，以及有效光動力殺死纖維附近的細菌以防止生物污染。

　　相關工作以“Side Area-Assisted 3D Evaporator with Antibiofouling Function for Ultra-Efficient Solar Steam Generation”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

　　01含AIE發光原的太陽能蒸發器的設計與表征

　　研究人員經過精心設計并通過三個步驟輕松合成典型的D-A-D分子(TPA-BTDH)，其具有豐富的分子旋轉器、大扭曲角和非平面結構，可能使其分子內運動受到部分限制，但在纖維狀態下仍然活躍，潛在地允許高光熱轉換和ROS生成受益于平衡的能量耗散。TPA-BTDH的最大吸收波長位于645 nm，光致發光(PL)光譜在NIR-II區域的908 nm處達到峰值。強而廣的吸收有利于吸收太陽光的光能。

　　此外，作者還研究了TPA-BTDH在ROS產生和光熱轉化方面的光敏特性。觀察到ROS指示劑DCFH-DA的發射強度顯著增強了195倍，揭示了ROS生成的高效率。TPA-BTDH粉末在1個太陽光強照射下，150秒內溫度達到62.8°C，表明其具有出色的將太陽能轉化為熱量的能力。

　　此外，研究人員還評估了TPA-BTDH對ROS的穩定性。在暴露于光照射24小時后，TPA-BTDH的吸收光譜沒有顯著變化。受TPA-BTDH優異性能的鼓舞，研究人員采用氣體形成膨脹技術制造了以TPA-BTDH作為太陽能吸收體的3D結構納米纖維墊。

　　首先，在靜電紡絲過程中將TPA-BTDH摻雜到纖維中。考慮到TPA-BTDH包裹在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中而不是涂覆在基質表面上，吸收劑將是穩定的。盡管它們的吸收被限制在550 nm到1000 nm的范圍內，TPA-BTDH/PMMA納米纖維墊具有超過80%的光吸收率，并顯示出相當大的將太陽能轉化為熱量的能力。

　　圖1 包含AIE發光原的AFPCF蒸發器的設計與表征

　　02AFPCF蒸發器的高效蒸發和抗生物污垢特性

　　為了探索太陽能蒸發器的蒸發能力，研究人員將3 cm高的AFPCF用泡沫包裹，然后漂浮在裝有3.5 wt% NaCl水溶液的燒杯上。

　　蒸發器表面和側面區域的溫度也由紅外攝像機記錄，以研究模擬陽光照射方向對蒸發能力的影響(圖2)。

　　由于輻照方向設置為垂直于蒸發器，蒸發器表面的溫度在1 h內升至46.5 ℃，遠高于蒸發器側的溫度(僅28.9 ℃)。

　　此外，由于照射方向向蒸發器傾斜(入射角為 60°)，蒸發器表面和側面的溫度在1小時內分別增加到44.5和39.5 ℃。

　　因此，蒸發器的表面和側面都作為受熱蒸發區在太陽傾斜照射期間產生蒸汽。這樣可以在不增加蒸發器表面積的情況下，大大增加有效蒸發面積。

　　模擬海水的質量隨著輻照時間的增加而減少。在1個太陽光的垂直照射下，蒸發器的蒸發率為2.4 kg m-2 h-1，對應的暗蒸發率為0.8 kg m-2 h-1。值得注意的是，當垂直照射轉向傾斜照射時，蒸發率從2.4 kg m-2 h-1急劇增加，這主要是由于側面區域產生的額外熱量，以及高蒸發率隨著時間的推移保持穩定。模擬太陽光的入射角設置為180°，只能照射側面區域，AFPCF的蒸發率降低到2.8 kg m-2 h-1在沒有表面蒸發的情況下。

　　這些結果表明，側面積輔助蒸發是一種基于自然陽光傾斜照射增強整體蒸發的簡便策略。眾所周知，蒸發器周圍會在蒸發過程中形成溫暖的環境，促進微生物的生長，嚴重影響蒸發器的使用壽命。受TPA-BTDH的高效ROS生成以及細菌光動力殺滅效率的啟發，通過將大腸桿菌，表皮葡萄球菌，金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林S.金黃色葡萄球菌(MRSA)分別附著蒸發器表面證明了蒸發器優異的使用壽命和自抗污性能。

　　圖2 AFPCF的光學照片及蒸發能力表征

　　為了探索AFPCF的凈水能力，研究人員精心制備了兩個樣品含有五種主要離子(Na+、Mg2+、K+、Ca2+和Pb2+)的模擬海水和含有四種細菌的廢水(E.大腸桿菌、表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、MRSA)。

　　為了從樣品中收集純凈水，研究人員手工制作了一個封閉的蒸發系統，它由一個高透光率的玻璃蓋、一個裝滿樣品水的杜瓦瓶和蒸發器組成(圖3)。

　　首先使用模擬海水進行測試，作為蒸發系統在1個太陽傾斜照射下，在玻璃蓋內壁產生并凝結的蒸汽。隨著照射時間的增加，蒸氣變成液體并形成液滴，然后融合在一起，照射1小時內玻璃內蓋的濕度從60%增加到99%。

　　經太陽能驅動蒸發系統凈化后，淡黃色模擬海水轉變成無色透明液體。通過電感耦合等離子體質譜法指出，模擬海水的離子濃度(Na+、Mg2+、K+、Ca2+和Pb2+)從103減小到10-1 mg L-1與太陽能蒸發處理后的效率為99.9%，遠低于世界衛生組織(WHO)的飲用水標準(1‰)。

　　重要的是，所提出的蒸發器可以在7天周期(每天8小時)內持續穩定地產生清潔水，表明其在太陽能海水淡化中具有出色的耐用性和出色的抗鹽性能。

　　除了離子污染物，細菌和微生物污染是水凈化的另一個挑戰。作者利用蒸發系統凈化含有四種細菌的廢水。在冷凝水中沒有觀察到細菌克隆，表明細菌的有效去除。這些結果有力地表明，這種開發的AFPCF蒸發器能夠通過太陽輻射實現海水和廢水中的水凈化。

　　圖3 AFPCF的凈水能力表征

　　小結：作者通過將側區輔助蒸發與AIEgen相結合制備了新型AFPCF蒸發器，實現了優異的蒸發性能和抗生物污垢性能。AIEgen的存在賦予了蒸發器出色的光熱轉換和光動力抗菌能力。蒸發器的太陽能蒸發率高達3.6 kg m-2 h-1。

　　此外，AIEgen在陽光照射下持續產生ROS，高度抑制蒸發器附近細菌的生長，顯示出優越的抗生物污垢性能。所提出的蒸發器進一步用于凈化含有各種細菌的模擬海水和廢水，并實現了符合WHO飲用水標準的高質量凈化。因此，多功能側區域輔助蒸發器為構建用于水凈化和其他應用的下一代智能蒸發器打開了一扇窗，包括水分管理、海洋生態系統和廢水處理。

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